付進(jìn)，李利，梁國龍，馬巍

(1.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001;2.大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013)

0 引言

在水下靶場測控中，浮標(biāo)基定位系統(tǒng)可用于對水下作戰(zhàn)武器的定位跟蹤，為武器的試驗(yàn)演練和戰(zhàn)技性能評價(jià)提供依據(jù)。當(dāng)定位系統(tǒng)利用待測目標(biāo)的水聲偵察信號對其進(jìn)行定位時，直達(dá)聲時延測量精度是保證系統(tǒng)定位精度的關(guān)鍵。在非水聲對抗條件下，檢測到水聲偵察信號及其多途序列后，采用分群開窗機(jī)制可準(zhǔn)確提取直達(dá)聲，再利用其時延信息即可實(shí)現(xiàn)對待測目標(biāo)的精確定位［1－4］。

在水聲對抗條件下，對抗器材在接收到待測目標(biāo)的偵察信號后，對其進(jìn)行波形分析和參數(shù)估計(jì)，進(jìn)而模擬目標(biāo)特征并發(fā)出回波信號［5－7］。此時，水聲偵察信號與模擬回波信號之間的差別不大，而且二者多途序列之間存在復(fù)雜的疊加關(guān)系，很難正確選取偵察信號的直達(dá)聲，利用傳統(tǒng)的分群開窗機(jī)制選擇首脈沖，容易出現(xiàn)錯將模擬回波信號當(dāng)作水聲偵察信號進(jìn)行解算的情況，此時定位效果嚴(yán)重下降，目前尚未見到解決這個問題的相關(guān)報(bào)道。針對這種情況，本文提出了一種基于時延匹配及信號多普勒的偵察信號辨識方法，可在受模擬回波信號干擾的脈沖序列中正確選取偵察信號的直達(dá)聲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在水聲對抗條件下對待測目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

1 浮標(biāo)基定位系統(tǒng)工作態(tài)勢

在對抗條件下，浮標(biāo)基定位系統(tǒng)的典型工作態(tài)勢如圖1所示:此時，浮標(biāo)接收到的除了待測目標(biāo)發(fā)射的水聲偵察信號外，還有對抗器材發(fā)射的模擬回波信號，兩種信號在特征上差別不大，很難區(qū)分，若錯將回波信號當(dāng)作偵察信號解算，將對定位結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，甚至不能正確定位。

圖1 浮標(biāo)陣工作態(tài)勢Fig.1 Buoy array working situation

2 偵察信號與模擬回波之間的關(guān)系

2.1 兩種信號直達(dá)聲之間的時延差

浮標(biāo)接收到兩種信號即水聲偵察信號與模擬回波，它們的時延差主要和浮標(biāo)與對抗器材的距離及它們與待測目標(biāo)的相對位置有關(guān)。對該時延差的分布情況進(jìn)行仿真，仿真條件:在平面直角坐標(biāo)系中，浮標(biāo)位置(－500，0)m;對抗器材位置(500，0)m，待測目標(biāo)在平面內(nèi)變化，對應(yīng)每個位置計(jì)算時延差，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種信號的時延差Fig.2 Time－delay of two signals

圖中，左面的小圓為浮標(biāo)，右面的五角星為對抗器材，時延差單位為毫秒。由仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論:

1)時延差的最大值、最小值僅和浮標(biāo)與對抗器材的距離有關(guān)，最大值為待測目標(biāo)在對抗器材與浮標(biāo)的延長線上，大小為2d/C 秒(d 為對抗器材與浮標(biāo)間距，C 為聲速)，最小值為待測目標(biāo)在浮標(biāo)與對抗器材的延長線上，大小為0;

2)待測目標(biāo)由對抗器材向浮標(biāo)方向運(yùn)動時，兩種信號的時延差由小變大，反之則由大變小;

3)在一定區(qū)域內(nèi)，二者時延差小于脈沖寬度，則兩種信號將疊加在一起成為一個脈沖;

4)當(dāng)時延差大于發(fā)射信號的周期時，模擬回波信號將會在下個周期出現(xiàn)，形成復(fù)雜的干擾情況。

2.2 兩種信號疊加關(guān)系

由于水聲信道多途的存在，水聲偵察信號與模擬回波信號的時延差，及信號發(fā)射周期決定了兩種信號的疊加情況。假設(shè)發(fā)射周期固定，發(fā)射與接收同步(若不同步，信號相對位置不會改變，不會對結(jié)果產(chǎn)生影響)，不考慮信號的脈沖寬度及信號之間的同相與反相疊加，則兩種信號序列將會出現(xiàn)如圖3所示的幾種疊加情況:

圖中，SB 為水聲偵察信號的直達(dá)聲，STB 為模擬回波信號的直達(dá)聲，t_S 為水聲偵察信號的時延擴(kuò)展，t_T 為模擬回波的時延擴(kuò)展，Δt 為兩種信號直達(dá)聲之間的時延差，T 為信號發(fā)射周期。

設(shè)分群時間為t_Q，分析圖中各情況為:

1)當(dāng)Δt ＜t_S+t_Q 時(圖3(a))，此時同周期的偵察信號序列與模擬回波信號序列疊加在一起，形成一個脈沖群;

圖3 脈沖結(jié)構(gòu)Fig.3 Pulse structure

2)當(dāng)t_S + t_Q ＜Δt ＜T－ t_T－ t_Q 時(圖3(b))，同周期的偵察信號與模擬回波信號在同一期內(nèi)，并且能明顯分開成兩個群;

3)當(dāng)T－t_T－t_Q ＜Δt ＜T 時(圖3(c))，本周期的模擬回波出現(xiàn)在下個周期，與下個周期的偵察信號疊加在一起，模擬回波在前;

4)當(dāng)T ＜Δt ＜T+t_S+t_Q 時(圖3(d))，本周期的模擬回波出現(xiàn)在下個周期，偵察信號在前，在第二個周期觀測與第一種情況相似;

5)當(dāng)T+t_S +t_Q ＜Δt ＜T +T－t_T－t_Q 時(圖3(e))，本周期的模擬回波信號出現(xiàn)在下個周期，偵察信號在前，形成兩個脈沖群，在下個周期觀測與第二種情況相似。

當(dāng)模擬回波信號與水聲偵察信號的時延差再增大時，模擬回波信號將再向后移，則會與第三種情況相似，依次類推，重復(fù)上述幾種情形，只是所跨周期數(shù)增加。

對以上分析進(jìn)行仿真，條件:聲速C =1 500 m/s;t_S=100 ms;t_T =100 ms;t_Q =100 ms;T =1 s;浮標(biāo)位置(－500，0)m;對抗器材位置(500，0)m，待測目標(biāo)在平面內(nèi)變化，對應(yīng)其每個位置計(jì)算兩種信號時延差，并根據(jù)上述5 種情況劃分平面區(qū)域，仿真結(jié)果見圖4.

圖4 區(qū)域內(nèi)不同脈沖結(jié)構(gòu)分布Fig.4 Regional distribution of different pulse structure

圖中，左面的小圓為浮標(biāo)，右面的五角星為對抗器材，從右往左的五個區(qū)域分別代表上述的1～5 種情況。這幾種情況的出現(xiàn)與浮標(biāo)和對抗器材的距離有關(guān)，距離越大，越容易出現(xiàn)更多情況。對于傳統(tǒng)方法，若對抗器材與浮標(biāo)相距較近，即僅為情況1 時，開窗長度大于時延差的最大值，模擬回波信號被卡掉，不再干擾定位解算;但對情況2、5，水聲偵察信號與模擬回波將被分為兩個不同的群，開窗后得到兩種信號的兩個直達(dá)聲，難以取舍;對于情況3 分群開窗后，待測目標(biāo)偵察信號的直達(dá)聲被卡掉，只剩模擬回波信號，所以利用傳統(tǒng)方法這三個區(qū)域均得不到準(zhǔn)確的定位結(jié)果。

3 基于時延匹配及信號多普勒的偵察信號辨識方法

3.1 忽略信道多途影響

當(dāng)忽略信道多途影響時，浮標(biāo)接收到的僅為水聲偵察信號與模擬回波信號的直達(dá)聲，為了選出偵察信號，要利用多個浮標(biāo)檢測到的時延值，以圖5為例進(jìn)行說明。

圖5 時延分析圖Fig.5 Time－delay analysis diagram

設(shè)偵察信號到達(dá)2#、4#浮標(biāo)的時延分別為ts2、ts4，到達(dá)對抗器材的時延為tst，模擬回波到達(dá)浮標(biāo)2、4 的時延分別為tt2、tt4，偵察信號經(jīng)過對抗器材再到浮標(biāo)2、4的時延分別為tst2、tst4，則有下式成立:

式(1)減式(2)得:

由于浮標(biāo)與對抗器材的位置均確切已知，則tt2、tt4可以求得，那么由式(3)可以得到兩個浮標(biāo)模擬回波的時延差。當(dāng)2#、4#浮標(biāo)接收信號滿足上述關(guān)系時，則可將這兩個信號判為對抗器材模擬回波信號。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，上述方法能夠可靠地選出模擬回波信號。

3.2 考慮信道多途

當(dāng)考慮信道多途影響時，浮標(biāo)接收到的信號除了包括水聲偵察信號與模擬回波信號的直達(dá)聲外，還包括它們各自的多途信號。由于海深相對于目標(biāo)與浮標(biāo)距離非常小，可認(rèn)為直達(dá)聲信號與其多途序列的多普勒近似相同，所以根據(jù)多普勒可以將檢測到信號分成兩個不同的群。利用時延匹配找到模擬回波信號的直達(dá)聲后，與其多普勒接近相同的脈沖則為其多途，予以剔除不參與解算，而剩下的脈沖即為偵察信號及其多途序列，利用分群開窗的方法找到直達(dá)聲即可。

在計(jì)算時需選取一個參考浮標(biāo)，將其它浮標(biāo)的時延與該浮標(biāo)的各個時延值作差。因?yàn)橐ハ囹?yàn)證，參考浮標(biāo)的選擇主要考慮與對抗器材的距離，距離越遠(yuǎn)，模擬回波信號越容易與水聲偵察信號分開，也可以輪換各個浮標(biāo)作為參考。

3.3 處理步驟

根據(jù)理論分析，信號處理的流程見圖6.

圖6 處理流程圖Fig.6 Process flow diagram

4 測試結(jié)果

在待測目標(biāo)運(yùn)動條件下進(jìn)行仿真，仿真條件:4個浮標(biāo)位置及對抗器材位置如表1所示;待測目標(biāo)做直線運(yùn)動，起點(diǎn):(－ 400，－ 900，40)m，終點(diǎn)(350，700，50)m;目標(biāo)運(yùn)動速度:20 m/s;聲速C =1 500 m/s;水聲偵察信號發(fā)射周期為1 s.

表1 浮標(biāo)、對抗器材及待測目標(biāo)位置Tab.1 Bouy，countermeasure equipment and the target location

采用傳統(tǒng)方法選取接收信號的首脈沖，利用其時延進(jìn)行解算，結(jié)果見圖7.

圖7 傳統(tǒng)方法動點(diǎn)解算結(jié)果Fig.7 Calculation result of traditional methods

圖中五角星為對抗器材位置，直線為目標(biāo)真實(shí)軌跡，實(shí)心圓點(diǎn)為解算結(jié)果，利用傳統(tǒng)方法，第一周期利用首脈沖可以得到正確結(jié)果，但是其它周期由于對抗器材模擬回波的存在，得不到正確結(jié)果。

利用時延匹配找到模擬回波信號直達(dá)聲后，利用多普勒確定該信號的多途序列，剩下的脈沖再利用分群開窗的辦法找到直達(dá)聲，并進(jìn)行定位解算，結(jié)果如圖8所示，所得目標(biāo)位置與真值重合，仿真結(jié)果說明該方法可以提高在水聲對抗條件下的定位準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

圖8 新方法動點(diǎn)解算結(jié)果Fig.8 The calculation results of new method

在水聲對抗條件下，從受模擬回波信號干擾的脈沖序列中正確選取偵察信號的直達(dá)聲是浮標(biāo)基定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正確定位的關(guān)鍵所在。本文提出了一種基于時延匹配及信號多普勒的偵察信號辨識方法，該方法利用時延匹配技術(shù)可找到模擬回波信號的直達(dá)聲，并利用多普勒信息確定其回波信號的多途序列，從而準(zhǔn)確提取待測目標(biāo)的偵察信號，再結(jié)合傳統(tǒng)分群開窗的辦法實(shí)現(xiàn)偵察信號直達(dá)聲的準(zhǔn)確辨識，從而保證了系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行正確定位。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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